Так ли умны «роботы-пылесосы»? Рассматриваем датчики для навигации
Роботом-пылесосом в доме уже никого не удивить. У кого-то они есть, кто-то хочет приобрести, кто-то считает игрушкой. И производители пользуются этими желаниями, и пытаются продать нам что-то. Именно что-то, потому что маркетинговые отделы компаний из кожи лезут, придумывая завлекательные названия и наделяя несложные решения несуществующими возможностями. Дальше я попытаюсь разложить устройство роботов-пылесосов «по полочкам» и рассказать об их сенсорах.
Я не буду делать упор на их внутреннее устройство, платы, процессоры, сами механизмы уборки. Моя задача показать, что ничего сверхъестественного в этих домашних помощниках нет и построены они на базовых принципах, мало-мальски знакомых любому прикоснувшемуся к робототехнике. У меня у самого дома есть робот-пылесос от А-бренда (HomeBot), поэтому иногда я буду рассказывать и на его примере тоже и это не реклама бренда. Более того, домашний пылесос носит гордую кличку «Дурачок», так как работает усердно, но.
Но начнем мы с конструкции, потому что это будет объяснять ту или иную форму. По факту почти все домашние роботы-пылесосы это двухколесная тележка с одним или двумя опорными колесами. Форма у 99% моделей круглая. Почему круг, а не квадрат или треугольник? Достаточно посмотреть на вот эти рисунки.
Квадратный пылесос в теории тщательней уберет все углы, так как у нас в большинстве случаев помещения и мебель с прямыми углами, но заехав в угол, он не сможет развернуться, а при движении вдоль стенки так вообще может застрять. С учетом того, что пылесосы убирают «построчно» (это называется алгоритм уборки «зигзаг» и об этом, если вам будет интересно, мы можем поговорить потом), такой робот будет испытывать определенные проблемы с маршрутами. Да, есть производители с «прямоугольным» носом (Hobot, Electrolux и другие), но эволюционно такая форма почти отмерла.
Круглая форма же имеет свои плюсы (двухколесная тележка робота и его симметричная форма позволяет ему разворачиваться на месте) и свои минусы, так как щетки могут не доставать до мусора по углам, а делать их очень длинными тоже проблематично. И даже если производитель заявляет, что у него квадратный корпус, то он будет лукавить (как в случае с моим роботом), так как по факту это будет чуть обтесанный круг.
Круглая форма опять же дает больше места для размещения механизмов и батарей и «по классике» мы имеем спереди робота щетки, посередине отверстие для всасывания мусора и контейнер для него, а сзади саму турбину пылесоса и элементы питания.
И эта форма определяет те датчики и принципы навигации, которые применяются на рынке и именно на примере такой формы мы их и рассмотрим, введя некоторую классификацию.
1. Механизм от игрушки, который хаотично гоняет робота по полу. Никаких датчиков нет.
Игрушечный механизм работает по принципу «повернись, когда упрешься в препятствие», электроники нет, включать и выключать эту игрушку вам нужно вручную. Ни о каких возможностях построения карты помещения, зонирования, возвращения на базу и других умных вещах говорить не приходится. Стоят эти игрушки от 700 рублей.
Плюсом обычно имеем концевой выключатель присутствия контейнера и датчик переворота «на брюхо». Эти два датчика в той или иной реализации есть и у более продвинутых моделей.
2. Добавлен ИК датчик нахождения базы (он же центральный датчик приближения) и бампер на концевых выключателях. Энкодеров на колесах нет, ездит робот «от препятствия до препятствия», возврат на базу по ИК-лучам.
Чуть более сложная конструкция. Ударный бампер есть в той или иной реализации у всех роботов-пылесосов. У кого-то он контактный (то есть стоят концевые выключатели), у кого-то бесконтактный (то есть нет механического перемещения), но без него робот не поймет, что куда-то врезался. А врезаться он будет, потому что различные сенсоры на роботе не всегда могут «охватить» все пространство перед ним, у них есть мертвые зоны и бампер последний шанс робота определить препятствие. Но для некоторых пылесосов это единственная возможность «на ощупь» передвигаться.
Бампер устроен просто: два концевых выключателя и подпружиненная полукруглая пластина. Когда пылесос ударяется в препятствие, в зависимости от его расположения, замыкаются оба выключателя или только слева или справа. И пылесос «понимает», что врезался во что-то перед собой или сбоку.
Сзади датчиков обычно нет.
Базу же, что недорогие, что более дорогие модели, видят благодаря старым добрым ИК-лучам. Два параллельных луча образуют «рельсы», на которые наш пылесос пытается «встать» в итоге и приползти к кормушке. Но данный ИК приемопередатчик, состоящий из сдвоенного инфракрасного светодиода и приемника, может выполнять не только функцию нахождения базы, но играть роль бесконтактного датчика препятствий, чтобы робот-пылесос не упирался в стену перед собой.
ИК-сенсор может быть установлен не по центру, а по бокам, но отказываться от проверенной технологии производители не спешат, а еще это позволяет управлять пылесосом с обычного ИК-пульта.
Поэтому производители и рекомендуют оставлять справа и слева от базы по метру-полтора, чтобы был свободный «подъезд» к ней, но мой робот-пылесос спокойно живет в закутке за диваном и находит базу.
4. к. п 3. добавляем энкодеры. Пылесос может точнее отрабатывать свое положение и его повороты уже предсказуемы, а отклонение от прямой линии определяемо. Такой робот будет стараться ездить параллельно линиям своего маршрута и понимать, что повернулся на нужный угол. Мотор-колеса пылесосов снабжаются энкодерами разного типа: щеточными, резистивными, оптическими, на датчиках Холла и т. п. Но цель одна: определить, на какой угол повернулось колесо.
Энкодер также можно поставить только в поддерживающий ролик и определять перемещение по его кручению и повороту. Это позволяет использовать дешевые мотор-редукторы в колесах и упрощает конструкцию, так как оптические датчики энкодера в таком случае просто распаиваются на управляющей плате.
5. к. п. 4 добавляем нижние ИК-датчики уровня. Пылесос перестает падать и может различать высоту (немного, но может). Обычно пункты 4 и 5 делают совместно, так как пылесосы такого уровня уже стоят до десятка тысяч рублей и допускать его падение нежелательно. Минимально (и стандартно) датчиков три: по центру и ближе к бокам и представляют они собой привычные ИК-датчики. В теории наш робот-пылесос можно научить даже ездить по начерченной линии. При наличии такого набора датчиков (п. 3 — п.5) наш пылесос уже можно считать роботом. Он уже сможет построить простейшую карту местности и при следующих прогонах стараться не тыкаться в препятствия.
6. к. п 5 добавляем ИК датчики на бампер не только по центру.
Пылесос теперь не тыкается в препятствия в виде вертикальной стены. Ножки он, конечно, еще не видит, шторы может продолжать жевать, но уже может строить карту препятствий. Пример такого пылесоса Xiaomi Mop Essential. За черной полоской на бампере закреплено дополнительно по окружности по три ИК-датчика (два по центру как мы помним есть у многих моделей) и они позволяют обнаруживать что-то отражающее ИК-лучи раньше, чем сработает ударный «концевик».
Также у таких моделей уже часто присутствуют компас и гироскоп, что улучшает навигацию. Бампер может быть не ИК или контактным механическим, а ультразвуковым и с датчиком удара по его поверхности (так сделано у моего HomeBot).
Что ИК, что ультразвуковые сенсоры позволяют также определять расстояние до препятствий, но ультразвук позволяет это делать гораздо точнее и у таких моделей играет роль также датчика расстояния.
7. к. п 8 добавляем боковые ИК-датчики в слепые зоны для контроля притирания пылесоса к стене.
Что происходит «сбоку» от пылесоса, он увы может и не увидеть и часто роботы могут начать «тереться» о стену (а иногда могут и обои «подрать»). Поэтому некоторые производители добавляют ИК-сенсоры по бокам робота, если не используют сенсоры по периметру бампера (например, у пылесосов с лидаром).
9. к п.8 добавляем сенсоры построения карты помещения по препятствиям и навигации в пространстве. До данного пункта у нас роботы-пылесосы могли определять препятствия перед собой, отслеживать маршрут по повороту своих колес и даже определять препятствия сбоку или пытаться найти себя по показаниям компаса. Но все это далеко от того, что можно было бы назвать «навигацией». Да, роботы-пылесосы у нас еще не доросли до применения GPS/GLONASS (да и в помещениях от этих технологий толку часто мало, сигнал глушится, точность не для сантиметровых размеров в квартирах), но хотелось бы, чтобы робот-пылесос не терялся в двух-трех комнатах и старался убираться не хаотично, а последовательно помещение за помещением. Да и алгоритм «зигзаг» не позволяет убирать полностью комнату с хаотично расставленными вещами.
Поэтому производители для ориентации в пространстве ставят на роботы дополнительные датчики, задача которых строить карту помещения и определять, где робот находится в текущий момент, где он уже убрался, а где еще нет. После тестовых прогонов, так как мебель и расположение помещений обычно не меняется, это позволяет роботу-пылесосу уверенно передвигаться и быстрее выполнять уборку, строят оптимальный маршрут.
Данные сенсоры в основном представлены следующими видами: лазерный дальномер (он же LDS, он же лидар), широкоугольная камера с машинным зрением, ToF камера и даже 3D-камера (то есть комбинация ИК-камеры разметки и камеры ее считывания по типу FaceID в айфонах). Возможна комбинация устройств сверху, в передней части, в задней части и снизу (для определения разных типов поверхности).
Пылесосы с лидаром достаточно массово распространены в средне ценовом сегменте, эта технология позволяет строить карту помещения с высокой точностью, но опять же имеет свои минусы: «башня» лидара часто мешает проехать пылесосу под мебель, а ее расположение на верху пылесоса мешает ему замечать низкие препятствия и пылесос в таком случае часто полагается только на ударные датчики бампера. И лидар очень не любит зеркала, и такой робот может «играть» в злобное создание, кидающееся на свое отражение.
Камера имеет также свои плюсы и минусы. Обычно ставится только верхняя камера, которая отлеживает изменения на поверхности потолка (как современная компьютерная мышь) и пытается по ним отслеживать карту изменений. Хоть производители и говорят, что их роботы «видят» в темноте, опыт эксплуатации показывает, что пылесосам с камерой лучше везде включить свет 🙂 У меня как раз пылесос с навигацией по камере.
Дорогие модели сейчас пытаются избавить от лидаров, установив как верхнюю камеру, так и переднюю камеру с датчиком глубины (ToF), чтобы определять расстояние до объектов по времени отражения сигнала. Опять же это ИК-камера, и она обычно замещает передний ИК-датчик базы.
Плюс производители пытаются заигрывать с машинным зрением, 3D и AI, но пока чаще всего это только заигрывания с потребителем и маркетинговые уловки.
Вот такой немного сумбурный обзор, но надеюсь он показывает, что в устройстве роботов-пылесосов с точки зрения датчиков нет ничего сверхъестественного и все, что применяют их конструкторы, проверено временем и эксплуатацией на множестве робототехнических устройств. И часто даже такой простой набор датчиков может быть дополнен отличным софтом навигации и распознавания препятствий и поэтому программная начинка тут немаловажна. Но это уже совсем другая история.
А у вас есть робот-пылесос? И какие датчики есть на нем? Напишите в комментариях об этом, а также можете дополнить мою классификацию.
Источник
Сравнение навигации роботов-пылесосов: лидар против камеры
Приветствую всех читателей сайта Роботобзор! В пределах этой статьи мы сравним два самых точных типа навигации роботов-пылесосов: на базе лидара и на базе камеры. Такой навигацией оснащены в большей степени модели среднего и премиального ценового сегмента. Это связано с высокой стоимостью самих датчиков. Некоторые бренды используют исключительно камеру в своих флагманских моделях, а некоторые исключительно лидар. Сейчас мы как раз и проведем сравнение, испытав навигационную систему топовых iRobot Roomba i7+ и Roborock S5 Max. Итак, давайте же разберемся, что лучше: лидар или камера для навигации.
Кратко о навигации
Для начала вкратце рассмотрим, что собой представляет точная навигация на базе лидара и камеры, и какие особенности у этих двух систем.
Лидар в роботах-пылесосах устанавливается сверху на корпусе. Он представляет собой некую «башенку» с вращающимся лазерным дальномером внутри. Или как его еще называют, LDS датчик.
Этот лазерный дальномер вращается на 360 градусов с высокой скоростью, сканируя объекты вокруг себя, рассчитывая расстояние до них и выстраивая точную карту помещения.
Особенности лидара – это одинаковая точность навигации при любом уровне освещения, т.е. как днем, так и ночью. Кроме этого технология лазерного сканирования более точная. К недостаткам относят более частый выход из строя лидара из-за наличия вращающегося механизма, а также проблемы со сканированием зеркальных покрытий. Это могут быть зеркальные дверцы шкафов в комнате или хромированные ножки стульев. Кроме этого чаще всего роботы-пылесосы с лидаром по высоте достигают 10 см из-за этой самой башенки сверху, а соответственно проходимость роботов под мебелью уступает плоским моделям.
В свою очередь камера представляет собой визуальную систему навигации. Карта помещения строится за счет считывания и обработки изображений с камеры. Она сканирует потолок, делая множество изображений, и на основании этих данных строит план комнат.
Навигация на базе камеры более надежна в плане долговечности самой этой камеры и немного ниже по себестоимости. Кроме этого, камера не увеличивает высоту робота-пылесоса и есть модели, высотой всего около 7-8 см, что позволяет роботу проходить под низкой мебелью.
Недостатки визуальной навигации: при плохом уровне освещении или в слабоосвещенных местах камера простыми словами «слепнет». Да и точность визуальной навигации в любом случае уступает лазерному сканированию. Особенно, если потолок без ключевых визуальных меток, по которым и ориентируется робот.
Далее мы в одинаковых реальных условиях сравним лидар и камеру и посмотрим, с каким типом навигации роботы-пылесосы лучше выполняют свою работу.
Сравнение №1 – Ознакомительный проезд
Для того, чтобы максимально объективно протестировать навигацию роботов, мы создали несколько препятствий в тестовой комнате, а именно:
- Установили зеркальную дверь шкафа-купе.
- Сделали затемненную зону между стеной и диваном.
- Разместили стул, детские игрушки и коробку, которые выступят в качестве препятствий на пути роботов. В коробку мы дополнительно вложили утяжелитель, чтобы легкое прикосновение роботом не сдвигало ее.
Сам тест показан на видео, рекомендуем его посмотреть:
- iRobot Roomba i7+ немного сдвинул все объекты на пути, убрал только вокруг одной из ножек стула, и в принципе прошел всю доступную площадь, в некоторых зонах даже дважды. На ознакомительный проезд роботу потребовалось чуть больше 10 минут. В затемненной зоне между стеной и диваном робот в этот раз проехал без проблем, но во время одного из тестов он все же немного запутался в темноте.
- Roborock S5 Max с навигацией на базе лидара намного мягче прикасается к предметам, задел только одну игрушку. При этом проехал вокруг каждой из ножек стула и дважды проехал всю доступную площадь, разбив помещение на зоны. В темноте у него не возникло проблем с навигацией, а вот зеркальная дверца была определена роботом-пылесосом как продолжение комнаты, куда он не может попасть. Тем не менее это никак не повлияло на качество уборки всей доступной ему площади, просто появилась несуществующая часть карты. В само зеркало робот не бился и пытался туда пройти. Время ознакомительного проезда составило 19 минут, но робот построил более точную карту.
Сравнение №2 – Передвижение при сохраненной карте
Теперь посмотрим, насколько изменится алгоритм передвижения роботов после того, как они построили карту помещения и сохранили ее в памяти. Дополнительно открылась возможность устанавливать запретные зоны на карте, мы добавим по одной зоне, проверив как роботы на них реагируют. Наглядно все показано на видео (выше).
iRobot Roomba i7+ убирает змейкой зону за зоной. Вокруг ножек стульев он не убрал, в темной области проблем с навигацией не было, запретную зону распознал и не заехал в нее. На уборку в один проход потребовалось около 12 минут.
Что касается Roborock S5 Max, алгоритм движения поменялся. Робот первым делом проехал всю доступную площадь по периметру, а потом начал убирать продольной змейкой за один проход. Он убрал вокруг всех ножек стула, практически не касался препятствий и обходил стороной запретную зону. Еще одно наблюдение – iRobot Roomba i7+ за диваном проехал только туда и обратно, а Roborock S5 Max смог сделать два прохода туда и обратно в пределах этой же ширины зоны, т.е. он более тщательно убрал в узкой области. После этого робот пошел на второй проход всей доступной площади и вернулся на базу. Потратил чуть больше 18 минут, но опять-таки, покрыл бОльшую доступную площадь.
Передвижение робота при сохраненной карте
Сравнение №3 – Ориентация в многокомнатном помещении
Ну и последнее, что хотелось бы сравнить – как роботы-пылесосы на базе лидара и камеры строят карту всего дома и за сколько времени они убирают эту площадь. В нашем случае это 5 комнат общей площадью около 40 кв.м. Полезная площадь уборки около 35 к.в.м
Камера Айробота вычислила 27 кв.м, хотя по факту около 35 квадратов. Однако точность построения высокая, геометрия совпадает с реальной обстановкой в доме. Эту площадь робот в один проход убирает примерно за 50-55 минут, останавливаясь на особо загрязненных участках, которые сам определяет оптическим датчиком.
Лидар у Roborock построил такую же по геометрии комнату, при этом площадь вычислил более точно, 34 кв.м. что практически соответствует реальной. Кроме этого на уборку всей доступной площади ему понадобилось всего 31 минута, что значительно быстрее.
Ориентация роботов в многокомнатном помещении
В итоге можно сказать, что лидар точнее строит карту и позволяет быстрее пройти всю доступную площадь, если комнат несколько. При этом робот с лидаром в нашем случае тщательнее прошел в проблематичных местах, таких как область между ножками стула и узкий затемненный участок за диваном. И контакт с предметами у роботов с лидаром более мягкий, они реже ударяются бампером.
Кстати, важно заметить, что после нескольких проездов роботом с камерой, особенно если вы его будете включать в разное время суток при разном уровне освещения в комнатах, схема передвижения выработается автоматически и даже ночью робот сможет проезжать всю доступную площадь, не оставляя не убранных зон. Так что именно iRobot Roomba i7+ может столкнуться с проблемой в навигации в слабоосвещенных местах только при ознакомительном проезде. В дальнейшем эта проблема исчезает.
Подводим итог
В завершении выделим особенности роботов-пылесосов с точной навигацией на базе лидара и камеры.
В любом случае и тот, и другой тип навигации позволяет построить точную карту помещения и вывести уборку роботом на максимально эффективный уровень. Сравниваемые роботы могут сохранять несколько разных карт уборки в памяти, что актуально для двухэтажных домов, кроме этого поддерживается уборка после дозарядки, зонирование помещение на комнаты для покомнатной уборки по графику, а также возможность установки запретных зон и зон уборки на карте.
При этом всем лидар строит карту точнее, поэтому убирает быстрее и оставляет минимум пропущенных зон. Как вы убедились, критической проблемы при работе с зеркалом нет. В любом случае есть способы избежать построения карты с погрешностью, например, наклеить на зеркале на уровне лидара какую-нибудь защитную пленку, которая не будет отражать невидимые глазу инфракрасные лучи датчика.
Что касается долговечности самого лазерного дальномера, качественные роботы, те же Roborock, оснащены надежным лидаром, поэтому и прослужит такой робот долго. А вот за китайские неизвестные роботы никто не отвечает и в этом случае есть шанс, что навигация может выйти из строя быстрее. Ну и не забываем про высоту, тонких роботов с лидаром не бывает, поэтому это, наверное, единственный весомый минус, который может быть.
Камера слегка уступает точностью построения карты, особенно это чувствуется на больших площадях от 100 кв.м. и выше. Да и скорость уборки ниже у таких роботов. Но зато камера реже выходит из строя и не ворует высоту робота. А проблемы с ориентацией при слабом освещении могут наблюдаться либо при ознакомительном проходе, либо в тех моделях, у которых камера больше выступает муляжом, чем реальным органом навигации.
Так что я бы сказал, что роботы-пылесосы с лидаром лучше в плане навигации, но не настолько, чтобы вовсе не рассматривать модели с камерой. Все индивидуально и большей мере зависит от самого выбранного робота-пылесоса.
В любом случае, в 2020 году, самый лучший тип навигации, это установленные лидар и камера одновременно. Сравнение лидара и лидара+камеры вы можете увидеть на нашем видео:
Источник